Контрол на фазовия ъгъл за променлив светлина и контрол на скоростта на двигателя с помощта на 555 таймер и pwm сигнал

Системите за домашна автоматизация все повече набират популярност от ден на ден и в днешно време е лесно да включвате и изключвате определени уреди, като използвате някакъв прост механизъм за управление като реле или превключвател, преди това сме изградили много проекти за домашна автоматизация, базирани на Arduino, използващи релета. Но има много домакински уреди, които изискват контрол на това променливотоково захранване, а не просто включване или изключване. Сега влезте в света на управлението на фазовия ъгъл на променлив ток, това е проста техника, чрез която можете да контролирате фазовия ъгъл на променлив ток. Това означава, че можете да контролирате скоростта на вашия таванен вентилатор или всеки друг вентилатор за променлив ток или дори можете да контролирате интензивността на LED или крушка с нажежаема жичка.

Въпреки че звучи просто, процесът на действителното му прилагане е много труден, така че в тази статия ще изградим проста верига за регулиране на фазовия ъгъл с помощта на таймер 555 и в крайна сметка ще използваме Arduino за генериране на прост ШИМ сигнал за контрол на интензитета на крушка с нажежаема жичка. Както вече можете ясно да си представите, с тази схема можете да изградите проста система за домашна автоматизация, където да можете да управлявате вентилатора и димерите за осветление на променлив ток с един Arduino.

Какво представлява управлението на фазовия ъгъл и как работи?

Контролът на фазовия ъгъл на променлив ток е метод, чрез който можем да контролираме или нарязваме синусоидална вълна. В ъгъла изпичане на превключвателното устройство се променя след откриване на нулева пресичане, което води до средно напрежение на изхода, който се променя пропорционално с модифицирания синусова вълна, изображението по-долу описва повече.

Както можете да видите, първо имаме нашия AC входен сигнал. След това имаме сигнал за пресичане на нулата, който генерира прекъсване на всеки 10ms. След това имаме сигнал за задействане на портата, след като получим задействащ сигнал, изчакваме определен период, преди да дадем импулс на спусъка, колкото повече чакаме, толкова повече можем да намалим средното напрежение и обратно. Повече тема ще обсъдим по-нататък в статията.

Предизвикателства във фазовия ъглов контрол

Преди да разгледаме схемата и всички материални изисквания, нека поговорим за някои проблеми, свързани с този вид верига и как нашата схема ги решава.

Нашата цел тук е да контролираме фазовия ъгъл на синусоида с променлив ток с помощта на микроконтролер за всякакъв вид приложения за домашна автоматизация. Ако погледнем изображението по-долу, можете да видите, че в жълто имаме синусоида, а в зелено имаме сигнал за пресичане на нулата.

Можете да видите, че сигналът за пресичане на нулата идва на всеки 10ms, докато работим с 50Hz синусоида. В микроконтролера той генерира прекъсване на всеки 10ms. ако трябва да поставим друг код освен това, другият код може да не работи поради прекъсване. Тъй като знаем, че изслушването на линейната честота в Индия е 50 Hz, така че работим с 50 Hz синусоида и за да контролираме мрежовия променлив ток, трябва да включим и изключим TRIAC за определен период от време. За целта веригата за управление на фазовия ъгъл, базирана на микроконтролера, използва сигнала за пресичане на нулата като прекъсване, но проблемът с този метод е, че не можете да стартирате друг код освен кода за контрол на ъгъла на темпото, тъй като по някакъв начин той ще се счупи цикълът на цикъла и един от тези кодове няма да работи.

Нека да поясня с пример, да предположим, че трябва да направите проект, при който трябва да контролирате яркостта на крушката с нажежаема жичка, също така трябва да измервате температурата едновременно. За да контролирате яркостта на крушката с нажежаема жичка, ви е необходима верига за контрол на фазовия ъгъл, също така трябва да прочетете данните за температурата заедно с нея, ако това е сценарият, вашата схема няма да работи правилно, тъй като сензорът DHT22 отнема известно време, за да дайте своите изходни данни. В този период от време веригата за управление на фазовия ъгъл ще спре да работи, т.е. ако сте я конфигурирали в режим на анкетиране, но ако сте конфигурирали сигнала за пресичане на нулата в режим на прекъсване, никога няма да можете да прочетете DHT данните защото проверката на CRC ще се провали.

За да разрешите този проблем, можете да използвате различен микроконтролер за различна верига за управление на фазовия ъгъл, но това ще увеличи разходите за спецификация, друго решение е да използвате нашата схема, която се състои от общи компоненти като таймера 555 и също така струва по-малко.

Материал, необходим за верига за управление на фаза на променлив ток

Изображението по-долу показва материалите, използвани за изграждането на веригата, тъй като това е направено с много общи компоненти, трябва да можете да намерите всички изброени материали в местния магазин за хоби.

Също така изброих компонентите в таблица по-долу с вид и количество, тъй като това е демонстрационен проект, използвам един канал за това. Но веригата може лесно да се мащабира според изискването.

Sl.No	Части	Тип	Количество
1	Винтова клема 5,04 мм	Съединител	3
2	Мъжки хедер 2,54 мм	Съединител	1Х2
3	56K, 1W	Резистор	2
4	1N4007	Диод	4
5	0.1uF, 25V	Кондензатор	2
6	100uF, 25V	Кондензатор	2
7	LM7805	Волтажен регулатор	1
8	1K	Резистор	1
9	470R	Резистор	2
10	47R	Резистор	2
11.	82 000	Резистор	1
12	10K	Резистор	1
13	PC817	Оптрон	1
14.	NE7555	интегрална схема	1
12	MOC3021	OptoTriac Drive	1
13	IRF9540	MOSFET	1
14.	3.3uF	Кондензатор	1
15	Свързване на проводници	Кабели	5
16.	0.1uF, 1KV	Кондензатор	1
17	Arduino Nano (за тест)	Микроконтролер	1

Схема за управление на фазата на променлив ток

Схемата за веригата за управление на фазовия ъгъл на променлив ток е показана по-долу, тази схема е много проста и използва общи компоненти за постигане на контрол на фазовия ъгъл.

Верига за управление на фаза на променлив ток - Работеща

Тази схема се състои от много внимателно проектирани компоненти, аз ще разгледам всеки един и ще обясня всеки блок.

Верига за откриване на нулево пресичане:

Първо, в нашия списък е схемата за откриване на нулеви пресичания е направена с два 56K, 1W резистори във връзка с четири диода 1n4007 и оптрон PC817. И тази верига е отговорна за предоставянето на сигнал за преминаване на нула към 555 IC таймер. Също така, сме залепили фазата и неутралния сигнал, за да го използваме допълнително в раздела TRIAC.

LM7809 Регулатор на напрежение:

Регулаторът на напрежение 7809 се използва за захранване на веригата, веригата е отговорна за осигуряване на захранване на цялата верига. Освен това използвахме два кондензатора от 470uF и кондензатор от 0.1uF като разединителен кондензатор за LM7809 IC.

Управляваща верига с таймер NE555:

Горното изображение показва веригата за управление на таймера 555, 555 е конфигуриран в моностабилна конфигурация, така че когато спусъчен сигнал от веригата за откриване на пресичане на нула удари спусъка, таймерът 555 започва да зарежда кондензатора с помощта на резистор (като цяло), но нашата схема има MOSFET вместо резистор и чрез управление на порта на MOSFET, ние контролираме тока, който отива към кондензатора, затова контролираме времето за зареждане, следователно контролираме изхода на 555 таймера. В много проекти сме използвали 555 таймер IC, за да направим нашия проект, ако искате да научите повече по тази тема, можете да проверите всички други проекти.

TRIAC и веригата TRIAC-Driver:

TRIAC действа като главен превключвател, който всъщност се включва и изключва, като по този начин контролира изхода на променливотоковия сигнал. Задвижването на TRIAC е оптотриачното устройство MOC3021, то не само задвижва TRIAC, но също така осигурява оптична изолация, кондензатор с високо напрежение 0,01uF 2KV, а резисторът 47R образува снубер верига, която предпазва нашата верига от пикове с високо напрежение които се появяват, когато е свързан с индуктивен товар, несинусоидалният характер на включения променлив сигнал е отговорен за пиковете. Освен това той е отговорен за проблемите с фактора на мощността, но това е тема за друга статия. Също така, в различни статии, ние използвахме TRIAC като наше предпочитано устройство, можете да проверите тези, ако това наднича вашия интерес.

Нискочестотен филтър и P-канален MOSFET (действащ като резистор във веригата):

Резисторът 82K и кондензаторът 3.3uF образуват нискочестотния филтър, който е отговорен за изглаждането на високочестотния ШИМ сигнал, генериран от Arduino. Както бе споменато по-горе, P-Channel MOSFET действа като променлив резистор, който контролира времето за зареждане на кондензатора. Контролът върху него е ШИМ сигналът, който се изглажда от нискочестотния филтър. В предишната статия изяснихме концепцията за нискочестотни филтри, можете да разгледате статията за активен нискочестотен филтър или пасивен нискочестотен филтър, ако искате да научите повече по темата.

Дизайн на печатни платки за верига за управление на фазовия ъгъл на променлив ток

Печатната платка за нашата схема за контрол на фазовия ъгъл е проектирана в едностранна платка. Използвал съм Eagle за проектиране на моята PCB, но можете да използвате всеки софтуер за дизайн по ваш избор. 2D изображението на моя дизайн на дъска е показано по-долу.

Използва се достатъчно запълване на земята, за да се направят правилни връзки на земята между всички компоненти. Входът за 12V DC и 220 волта за променлив ток се запълват от лявата страна, а изходът се намира от дясната страна на печатната платка. Пълният файл за дизайн на Eagle заедно с Gerber може да бъде изтеглен от линка по-долу.

• Изтеглете PCB Design, GERBER и PDF файлове за верига за управление на фаза на променлив ток

Ръчно изработени печатни платки:

За удобство направих ръчно изработената версия на печатната платка и тя е показана по-долу.

Код на Arduino за контрол на фазовия ъгъл на променлив ток

За да работи схемата, се използва прост код за генериране на ШИМ, кодът и неговото обяснение са дадени по-долу. Можете също така да намерите пълния код в долната част на тази страница. Първо, декларираме цялата необходима променлива, const int analogInPin = A0; // Аналогов входен щифт, към който потенциометърът е прикрепен към const int analogOutPin = 9; // Аналогов изходен щифт, който светодиодът е прикрепен към int sensorValue = 0; // стойност, прочетена от пота int outputValue = 0; // извеждане на стойност към ШИМ (аналогов изход)

Променливите трябва да декларират Analog pin, analogOut pin, а останалите променливи трябва да съхраняват, конвертират и отпечатват картографираната стойност. След това в раздела за настройка () инициализираме UART с 9600 бода, за да можем да наблюдаваме изхода и по този начин можем да разберем кой ШИМ диапазон е успял напълно да контролира изхода на веригата.

void setup () {// инициализиране на серийни комуникации при 9600 bps: Serial.begin (9600); }

След това, в секцията loop () , четем аналоговия щифт A0 и съхраняваме стойността на променлива стойност на сензора, след това картографираме стойността на сензора на 0 -255, тъй като PWM таймерът на atmega е само 8-битов, след това ние задайте PWM сигнала с функция analogWrite () на Arduino. и накрая, отпечатваме стойностите в прозореца на серийния монитор, за да разберем обхвата на контролния сигнал, ако следвате този урок, видеото в края ще ви даде по-ясна представа по темата.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // четем аналога в стойност: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // картографираме го в обхвата на аналоговия изход: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // промяна на аналоговата изходна стойност: Serial.print ("sensor ="); // отпечатваме резултатите на Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);

Тестване на веригата за управление на фазовия ъгъл на променлив ток

Горното изображение показва тестовата настройка на веригата. Захранването 12V се осигурява от 12V SMPS верига, в нашия случай товарът е крушка, той може лесно да бъде заменен \ с индуктивен товар като вентилатор. Също както можете да видите, че съм прикачил потенциометър, за да контролирам яркостта на лампата, но може да бъде заменен с всякакъв друг вид контролер, ако увеличите изображението, можете да видите, че гърнето е свързано към A0 пин на Arduino и PWM сигналът идва от pin9 на Arduino.

Както можете да видите на горната снимка, изходната стойност е 84, а яркостта на крушката с нажежаема жичка е много ниска,

На това изображение можете да видите, че стойността е 82, а яркостта на крушката с нажежаема жичка се увеличава.

След много неуспешни опити успях да измисля схема, която всъщност работи правилно. Някога чудили ли сте се как изглежда тестовият стенд, когато веригата не работи? Нека ви кажа, че изглежда много зле,

Това е предварително проектирана схема, по която работех. Трябваше да го изхвърля напълно и да направя нов, защото предишният не работеше малко.

Допълнителни подобрения

За тази демонстрация схемата е направена на ръчно изработена печатна платка, но веригата може лесно да бъде изградена в печатни платки с добро качество, в моите експерименти размерът на печатната платка е наистина голям поради размера на компонента, но в производствена среда може да се намали чрез използване на евтини SMD компоненти. В експериментите си открих, че използването на таймер 7555 вместо таймер 555 увеличава значително контролерите, освен това се увеличава и стабилността на веригата.